從有刷直流電機獲得的量化振動數據

描述

介紹

本文介紹了一種工程方法和實踐方法，用于測量、量化和可視化來自遠處的振動波。什么是振動波，為什么我們需要測量它們，下面將詳細介紹。

對此有無窮無盡的應用，但有幾個方便的例子是：知道是否有人在家，電機是否很快就會發生故障，或者是否發生地震及其震級，等等。提高振動意識有助于設計智能防盜系統，或在故障發生前預測故障等等。它還可以幫助您學習更多實用的東西并使用它，而不是像在學?；虼髮W那樣純理論。

我們將測量從運行中的有刷直流電機的激勵源傳播的振動。這將為進一步探索和擴展其他來源提供背景。

為了實現我們的目標，有幾種方法。一種是：獲得一個 3 軸加速度計 IC，并開發一個 PCB，然后測量該軸上的 g 力，并通過 SPI 或 I2C 通知微控制器。有一些非常敏感的 IC 能夠以高達 24 位的分辨率進行測量，并且需要大量的基礎設施和開發才能正常運行，通常這些更適合工業或科學用途。這種方法的范圍是使用更實惠、更易于使用的技術，這些技術也可以安裝在機器人上并隨身攜帶，并在需要時立即應用。

運載系統和研究平臺采用了“KenjiX1”機器人和“Physalis Labs”的傳導振動掃描探頭。幾乎所有類型的傳感器和探頭以及大多數 IC 和傳感器都是根據 Pierre 和 Marie Curie 發現的壓電效應制成的。

使用KenjiX1的探頭使用方便，即使剎車，也可以輕松更換。有幾種類型的探頭可用，主要區別在于探頭的幾何形狀，然后將其應用于表面，其設計方式可以與表面形成良好的接觸，這樣波浪就可以更輕松地穿過一個物體（表面）到另一個物體（探頭）并引起微小位移。位移然后導致晶格內部的微變形，這就是探針的簡要概念。

KenjiX1 機器人可以使用多種類型的探頭。對于我們的測試，我將使用扁平探頭（圖 1）。它旨在用于平坦或玻璃狀的表面、墻壁和屬于該類別的所有東西，基本上是在所有平坦的東西上。它的遠端有一個帶臂的壓電傳感器，安裝起來毫不費力。

圖。1。帶圓形扁平圓盤的導電探頭。

?

用品和消耗品......

儀器、工具和用品：---------------------------------------- -

1. 帶有終端程序（Putty 和 TeraTerm）的筆記本電腦（任何 Linux、MacOS 或 Windows 機器）。

2. KenjiX1 開源遠程機器人平臺振動測量探針（平面幾何）來自http://physalislabs.org/

3. 用于數據評估的 OriginLab 軟件。

4. 可調節實驗室電源或僅電池為有刷直流電機供電。

5. 有刷直流電機。

?

讓我們從每個步驟的簡短描述開始：

· 安裝終端軟件（TeraTerm、Putty、Windows和 Xterm 或類似的 Linux）。在這里，我將使用 TeraTerm，因為我目前正在 Windows 機器上工作。但是你可以為你合適的機器選擇你喜歡的終端軟件。

· KenjiX1 平臺，導電探針（平面）由“Physalis Labs”提供。

· 到OriginLab網站下載安裝程序，然后從https://www.originlab.com/安裝“OriginLab”軟件。通常它是付費的，但您可以試用一個月。稍后您可以決定保留、刪除或刪除它。該軟件與 Windows 機器更相關，

· 能夠為上述任何電機供電的常規實驗室電源都可以，或者只使用電池，請確保為電機使用正確的電壓。

圖 2。使用合適的電源為有刷直流電機接線。

· 從損壞的電子設備或其他類似設備中回收的有刷直流電機也是一種選擇。確保電機和電源/電池的電壓匹配，否則它不會運行，或者如果運行，將非常慢，如果電壓低于規格，或者運行速度超快，如果超出規格太高。

這就是材料和工具……現在我們終于可以開始研究獲取正在運行的有刷直流電機的振動曲線。

?

振動急劇下降

它們大量出現在我們周圍和自然界中。因此，了解它們的來源和發生的原因至關重要。對振動的持續監測讓人們意識到可能發生的地震和其他自然災害。

另一方面，監測各種振動及其幅度（即振幅）有助于防止機械和復雜系統發生故障和停機，這些系統始終在線并在我們周圍工作。在發電廠、工廠、生產線中，需要持續驗證振動本底噪聲。對于所有正在運行的硬件、機電和機械系統，要注意它們的磨損。它不僅可以幫助節省維護成本，還可以減少由于此類復雜硬件系統的意外故障而導致的痛苦停機時間，并導致進一步的問題。

通常這個主題在物理學和其他自然科學學科以及重數學方面有巨大的支持 (°_°)。在這里，我將跳過它并在實際應用程序中獲得更多物理知識。

通常振動在兩個域中測量，時間和頻率。

圖 3。幾個激勵源的圖形表示 c（振幅與頻率）、b（振幅與時間）、a（振幅與頻率和時間）。

如圖（圖 3）所示，激勵源可以產生正弦波，具有較高或較低的頻率，剛好或瞬間出現的尖峰。我們可以測量在兩個域中傳入的波：時間，這意味著效果/波隨著時間的變化而被觀察到（圖 3.b.），以及頻率，這意味著我們觀察到效果/波產生的能量頻率帶寬（圖 3.c.）。您需要應用傅里葉變換才能從 (Fig.3.b.) 移動到 (Fig.3.c.)。

圖 4。振動波從激發源通過固體傳播到 KenjiX1 并在導電探針內部引起微位移的圖示。

我創建了一個插圖，說明來自激發源（人在鍵盤、錘子、直流電機等上打字……）的波如何從一個固體物體（墻壁、桌子、金屬和樓梯）穿過物質（固體、液體、氣體） ) 到另一個固體物體，它恰好與我們的導電探針接觸。探頭的平坦表面與波最強烈的介質產生接觸，并使波能夠觸發強烈的微位移，即加速度（g 力），這是良好信號強度的先決條件。

此外，導電探針將信號定向到 KenjiX1 平臺，在那里它由板載 CPU 注冊，或進一步穿梭以進行處理。

為了遠程測量振動，我使用了 Physalis Labs 的 KenjiX1 機器人平臺。它確實是一個很棒的機器人開發開源平臺，它彌補了工業機器人技術與制造商/修補匠級別小型機器人之間的差距。有關 KenjiX1 的更多信息，請訪問http://physalislabs.org/projects/kenji/。

啟動 KenjiX1…

到目前為止，我們已經完成了振動波的介紹和使用，然后我們簡要介紹了完成任務的工具和材料，最后是一些理論和信息，它們將幫助我們了解幕后究竟發生了什么。

現在我們從前面的實際實驗開始。啟動您的筆記本電腦/PC 并連接到您可用的 WLAN 和 KenjiX1。

圖 5。連接到您可用的 WLAN 和 KenjiX1。

使用位于機器人右側的綠色發光開關（圖 6.b.）為 KenjiX1 通電。請注意，綠色 LED 指示燈應亮起，以便能夠為機器人供電。否則請檢查充電電池是否已連接。開機完成后，機器人開始工作，您可以在您的網絡列表中找到該名稱。使用提供的密碼和 IP 地址連接到它。

（一種）

（二）

圖 6。啟動 KenjiX1。

一旦通電，您將聽到啟動聲音，并且您將被要求在 LCD 顯示屏上“更新動力學參數”（圖 6.a）。然后，您應該在筆記本電腦上打開終端程序并使用提供的 IP 地址啟動 SSH 會話（圖 7.a）。

（一種）

（二）

圖 7。通過 SSH 遠程連接到 KenjiX1。

輸入“名稱”和“密碼”（圖 7.b），然后將與 KenjiX1 的板載 SBC aka（Raspberry-Pi）建立成功連接（圖 8.b）。輸入用戶名和密碼，將啟動到 Linux 控制臺（圖 8）。從現在開始，你幾乎可以通過 KenjiX1 的板載 SBC 做任何事情。

圖 8。KenjiX1 的 SBC 上的遠程控制臺。

我們應該在 KenjiX1 上建立最后一個通信節點，以充分發揮與機器人平臺的交互功能。在控制臺（圖 8）中輸入命令“ sudo minicom ”并按回車鍵。您會聽到 KenjiX1 發出幾聲高音，外殼內出現文字。恭喜 (^_^) … 現在您可以訪問 roboDrive 引擎了。從此時起，將與所有網絡節點建立活動連接，除非您作為用戶決定斷開它們。

讓我們熟悉一些 roboDrive 引擎的指令集。要查看（圖 9.）中的“幫助/自述文件”信息，請輸入大寫字母“ H ”。在“ Run Control ”中我們可以配置平臺的動力學參數：地速、塔臺轉速等。

圖 9。遠程更新動力學參數。

讓我們輸入大寫字母“ O ”進入菜單。首先，您被要求“輸入車輛地速”、“輸入塔架旋轉角速度”等（圖 10.）如下。

圖 10。遠程更新動力學參數。

讓我們將所有需要的動力學參數輸入到系統中，如圖 10 所示：它們取值范圍 (0 - 255)。這里 0 代表最快，255 代表最慢，我們以 8 位比例移動。

• 輸入車輛地速 = 50
• 輸入塔旋轉角速度 = 5
• 輸入塔垂直速度 = 25
• 輸入機甲移動速度=30
• 輸入機臂轉動速度(L/R) = 30
• 輸入夾持器夾緊速度 = 20
• 輸入夾持器旋轉角速度 = 10

完畢！

好的，讓我們開始以最小速度（50）向前行駛，并讓我們自己熟悉控制：

圖 11。通過 PC 鍵盤控制。

如圖（圖 11.）所示，使用左側的按鍵（W、A、S、D、X）可以控制機器人。它類似于 PC 游戲風格，您用左手四處移動，右手控制鼠標，進行四處查看。這幾乎是一樣的，你在 NumPad 上應用左鍵來移動，用右鍵來向上/向下環視等等。

?

測量直流電機的振動曲線

讓我們從測量運行中的直流電機的振動曲線開始。我準備了一個測試裝置（圖 12），其中電機通過 Voltcraft 實驗室電源以大約 10 伏的電壓供電。

圖 12。Faulhaber 有刷直流電機由實驗室供電。電源（黑色）為 10V。

至于現在，電機一直在運轉，軸在旋轉。讓我們考慮一下，作為一名工程師，我們有一項技術任務是遠程測量有刷直流電機的振動曲線。

為了完成該任務：我們將通過網絡連接到機器人，然后我們需要讓機器人靠近研究對象，將機載機械手與導電探針接合并將其放置在有刷直流電機的框架上，這是某種程度上類似于當時航天飛機的飛行員使用機械手來捕捉丟失或發生故障的衛星，最后一步獲取數據并對其進行評估。

讓我們首先將 KenjiX1 開到測試裝置所在的區域附近。就我而言，它位于大約 10 米外的設施中，因此我到達那里不會花太長時間。但也可能是您控制了所羅門群島某處的 KenjiX1。我正在使用移動鍵（圖 11）在空間中駕駛和導航，慢慢接近直流電機并在距離它約 30-40 厘米的地方停下（圖 13）。

圖 13。由實驗室提供動力的 Faulhaber 齒輪直流電機。10V 的電源裝置（黑色）。

是時候部署導電探針并連接到直流電機的金屬框架了。因此，我從我的遠程 PC 發送命令“V”以取消停放 Mecha-arms。它需要一兩秒，現在兩個機甲臂都處于未停放位置（狀態 2），這最適合這項任務。KenjiX1 上通常有幾種狀態（1-4）可供用戶使用，當然你也可以編寫新的狀態。

只有未停放和嚙合的機械手不會與直流電機的框架形成合適的接觸。我將從駕駛切換到機械手轉向控制，并嘗試左右轉向左/右上/下以使其工作（圖 14）。經過幾次嘗試，我設法用導電探針圓盤的平面接觸到直流電機的框架。

圖 14。將未停放的機械臂定位在狀態 2 中。

此時此刻，我已經設法與直流電機取得聯系。現在，我只需進行微小的修正，并通過從左向右輕微移動來微調探頭位置。機械臂已經將導電探針推向直流電機的框架，因此連接正確。

圖 15。機械臂和導電探頭的轉向和微調。

至此，表面與表面的接觸已經成功建立。現在是時候從導電探頭請求數據并將其保存在我們板載 SBC 的存儲卡中了。

這里有兩個選項：您可以通過“ VNC Viewer ”軟件或在控制臺中通過“ TeraTerm ”軟件（圖 16.b）運行帶有圖形用戶界面的 SBC（圖 16.b），我更喜歡后者，但這只是個人喜好的問題，您可以通過兩種方式進行相同的操作。

（一種）

（二）

圖 16。左側是 SBC 圖形用戶界面（VNC 查看器），右側是控制臺訪問。

通過在 shell 中輸入“ sudo minicom –C userdata_file ”命令，我要求系統通過 minicom 運行會話并將所有數據記錄在“ userdata_file.txt ”文件中。在這里，我們只是告訴系統將我們的數據點（即將推出）保存到名為“ userdata_file.txt”的通用文本文件中。Minicom 初始屏幕打開（圖 17.b）。

（一種）

（二）

圖 17。在捕獲模式下通過 minicom (a) 連接到 roboDrive Engine 控制臺。

現在整理工作已經完成，我們可以從導電探針請求 10K 數據點，該探針目前正在測量運行中的直流電機產生的振動。

（一種）

（二）

圖 18。請求將 10k 數據點流式傳輸給我們并保存在船上。

通過鍵入“ V ”啟動數據流以運行“掃描儀設置”（圖 17.a）。它將出現在 shell 中（圖 18.b），輸入“ y ”進行確認，然后輸入所需的循環次數：“ 10000 ”，然后按“ enter ”。一按回車鍵，您就會看到數據流直接在 shell 中爆發。那是發送給我們并保存在船上的實時數據。隨著時間的推移，正在注冊三種類型的數據點。實際幅度、最低幅度（閾值）和最高幅度（閾值）。我們在時域中進行測量，因此我們在最右側的列中看到了“時間 [ms] ”值。好的！....

圖 19。隨著時間的推移，來自導電探針的數據流。

如上所述，導電探針正在向我們發送請求的測量周期量。至于現在，我們可以放松一下，喝杯咖啡。根據您請求的測量周期數，時間可以更長或更短，因此在一分鐘后，流式傳輸結束并顯示一條消息“掃描完成”。

但是所有這些原始數字和神秘的外觀并不是我們所希望的。我想擁有一些我們可以以圖形方式查看的東西會更好，并且可能與其他人共享或在報告中共享。

好的，如果你還記得，在開始數據流之前，我們要求系統捕獲并記錄我們與 KenjiX1 的交互，并將其保存在名為“userdata_file.txt”的文件中，該文件現在位于 KenjiX1 的板載 SBC 存儲卡中。

?

設置數據分發

讓我們將該數據文件傳輸到我們當前所在的 PC，或者您現在居住的“KenjiX1 的操作員”。在我的電腦上，我可以通過在 Windows PowerShell 中輸入來實現

“ pscp user@192.168.8.134 : home/pi/userdata_file userdata_file.txt ”命令

請注意，您應該輸入為 KenjiX1 的板載 SBC 提供的密碼。在我的示例中，該文件將被復制到“ D:\Users\Arhitect ”文件夾，并在您的 PC 上，具體取決于您的路徑。在 PowerShell 中，通過路徑所在的“ pwd ”命令檢查它。

請安裝“ putty ”軟件以在 PowerShell中使用“ pscp ”又名“putty secure copy ”命令等。https://documentation.help/PuTTY/pscp-usage.html

圖 20。獲取通過 PowerShell 通過網絡發送給我們的測量數據。

該文件已遠程復制到我的 PC，位于目錄“ D:\Users\Arhitect ”中。由于我們將工作環境從Linux換成了Windows，如果打開這個文本文件，會顯得“模糊”（圖21.a.）。

（一種）

（二）

圖 21。使用 Notepad++ 更改 EOL 終止。

我們應該對 Windows 機器進行“ EOL ”修正。在上下文菜單中，單擊“使用 Notepad++ 編輯”，如果您沒有 Notepad++，只需從此處獲取它https://notepad-plus-plus.org/downloads/。

圖 22。將 EOL 轉換更改為 Windows(CR LF)。

單擊以在 Notepad++ 中編輯文件，當其打開時，在程序中，轉到“菜單”，然后“編輯”，然后“ EOL 轉換”，然后點擊“ Windows(CR LF) ”并通過“ CTRL-S ”保存文件并關閉記事本++。這樣，我們將“行尾”終止更改為 Windows 樣式。如果我們現在打開文件，它看起來類似于（圖 19.）數據流。

?

可視化測量數據

有幾種方法可以可視化測量數據，并且它們都以自己的方式很好地實現。歸根結底，如何可視化數據取決于您。我選擇了 OriginLab Pro。它確實是一款非常棒的軟件，已經存在了很長時間。特別是如果你和科學家一起工作過，你可能已經遇到過，因為它在那些圈子里真的很受歡迎。

我們將從在 PC 上運行該軟件開始，通常它會打開一本新的空書

?

?

圖 23。在 PC 上運行 OriginLab Pro 軟件。

我將導入我們復制到我的 PC的“ userdata_file.txt ”。OriginLab 在“菜單”和“文件”部分下有一個導入向導。首先在一個空的數據簿上單擊一次并激活它，然后去導入并將文件導入為“single ASCII”，或者如果您通過“single ASCII”導入數據時遇到問題，也可以嘗試“導入向導”。

?

?

?

圖 24。在 PC 上運行 OriginLab Pro 軟件。

“導入向導”為您提供了更多操作選項，您可以更改“分隔符”名稱等內容。您可以嘗試各種場景以找到最令您滿意的最佳選擇。最終在成功導入后，您幾乎可以在我們導入的每一列的頂部看到一些小縮略圖。

每列在 OriginLab 軟件中都有其專用名稱，因此列 C(Y)、F(Y)、I(Y)、M(X) 是我們導電探頭的 3 倍振幅，正如您還記得我們在時域中工作，因此最后一個是時間。您應該明確告訴程序哪些軸應該繪制為 X 軸，哪些軸應該繪制為 Y 軸。我會告訴程序繪制依賴關系

這意味著包含所有時間值的“M(X)”數據集將被繪制為 X 軸和所有其他“ C(Y)、F(Y)、I(Y) ”，它們包含振動波振幅作為 Y 軸。為了更好地概述，我將 M(X) 數據集除以 1000 以獲得以秒為單位的時間。否則 X 軸的值太高。

我們總共將在一張圖中繪制 4 個數據集：

?

?

圖 25。在 KenjiX1 機器人上測量的運行有刷直流電機振動曲線。

最后，我們有了它……在（圖 25.）中，我們將測量數據可視化并從中創建了一個漂亮且信息豐富的圖表，可以將其包含在報告或技術文檔中。

?